CN116358175B - 一种单井干热岩注入流体换热增强装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及干热岩开采工程领域技术领域，公开了一种单井干热岩注入流体换热增强装置及其操作方法。本发明包括换热底座，流体接杆，螺旋环管，其中,换热底座设置于干热岩换热井内，包括流体注入环台，设置于所述流体注入环台内侧的流体采出台，所述流体注入环台与所述流体采出台之间相间隔，并形成接杆安装槽；流体接杆，配合设置于所述接杆安装槽内，其区分为与所述接杆安装槽相连接的流体引导端，延伸至所述换热底座外侧的隔热管道连接端。该装置在能实现基本的采热功能的同时，兼顾了如何提升装置的热交换效率。相比现有的注水措施采热可提高热交换效率11.3532%。

Description

一种单井干热岩注入流体换热增强装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及干热岩开采工程领域技术领域，尤其涉及一种单井干热岩注入流体换热增强装置及其操作方法。

背景技术

干热岩一般温度大于180℃，埋深数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体(致密不透水)的高温岩体。干热岩是一种热岩体，目前主要采用注冷水采热，其工作原理是注入井底的冷水与热岩体热交换，实现岩体热源的利用。矿场上多使用两口井形成注采井组，井间通过压裂产生流通的裂缝***，实现一口注入冷水另一口采出热水。

增强型地热***(EGS)是一种工程实践较多的干热岩型地热开采方案。该***通过水力压裂在两井或多井间形成连通的裂隙网络，再通过抽注流体工质的方式，让工质在地下岩体中循环流动，从而持续开采地热能。这种方式的出水温度与采热量都很高，具有规模化发电潜力，是长期以来开采干热岩热能的主流发展方向。

但就目前来看，该技术仍存在井下连通困难、工质损失严重、投资过高、技术风险大等问题。在世界范围内，迄今仅有极少数工程项目能够实现持续的商业化运行，这种方式需要增加井数和压裂措施实现有效热采，整体工程成本较高，且从热源到地面之间的井筒沿程散热严重。

因此，一种自注自采的单井循环采热模型得到广泛应用，极大降低了钻井工作量和压裂成本。但是这种采热方式仍存在换热效率不高的现象，主要是因为单井循环的冷水接触热源的沿程短、换热时间短。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有自注自采的单井循环采热***存在换热效率较低的问题，提出了本发明。

因此，本发明目的是提供一种单井干热岩注入流体换热增强装置，其目的在于：增加冷水接触热源沿程，提升单井循环下的采热效率。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种单井干热岩注入流体换热增强装置，此装置包括，换热底座，流体接杆，螺旋环管，其中，换热底座设置于干热岩换热井内，包括流体注入环台，设置于所述流体注入环台内侧的流体采出台，所述流体注入环台与所述流体采出台之间相间隔，并形成接杆安装槽；流体接杆，配合设置于所述接杆安装槽内，其区分为与所述接杆安装槽相连接的流体引导端，延伸至所述换热底座外侧的隔热管道连接端；以及，螺旋环管，设置于换热底座内部，包括与所述流体注入环台相连接的流体注入口，与所述流体采出台相连接的流体采出口，连接所述流体注入口与所述流体采出口的换热管体。

作为本发明所述单井干热岩注入流体换热增强装置的一种优选方案，其中：所述流体注入环台开设有与所述流体注入口相配合的注液口，所述流体采出台贯穿开设有与所述流体采出口相配合的采液口。

作为本发明所述单井干热岩注入流体换热增强装置的一种优选方案，其中：所述接杆安装槽远离所述采液口一端设置有定位槽，所述流体引导端远离所述隔热管道连接端设置有与所述定位槽相配合的卡合件。

作为本发明所述单井干热岩注入流体换热增强装置的一种优选方案，其中：所述流体采出台几何中心位置指向所述流体注入环台外侧边缘的直线距离为底座外径，所述注液口指向所述采液口的距离为底座孔径，相邻干热岩换热井之间形成井距。

作为本发明所述单井干热岩注入流体换热增强装置的一种优选方案，其中：所述底座外径为20cm，所述底座孔径为17cm，所述井距为530m。

作为本发明所述单井干热岩注入流体换热增强装置的一种优选方案，其中：所述换热管体包括多段结构相同的单螺旋管体，所述单螺旋管体具有相互连通的第一管口和第二管口。

作为本发明所述单井干热岩注入流体换热增强装置的一种优选方案，其中：所述第一管口的径向管径为管体口径，所述单螺旋管体的螺旋内径为螺径，所述第一管口和第二管口平行于所述单螺旋管体轴线方向上的直线距离为螺距。

作为本发明所述单井干热岩注入流体换热增强装置的一种优选方案，其中：所述管体口径为2.5cm，所述螺径为1.0cm，所述螺距为4cm。

本发明的另一个目的是提供一种单井干热岩注入流体换热增强装置操作方法，其采用如上所述的单井干热岩注入流体换热增强装置。

作为本发明所述单井干热岩注入流体换热增强装置操作方法的一种优选方案，其中：具有如下操作步骤：

当干热岩套管完井后，使用钢丝将所述换热底座下入至所述干热岩换热井井底岩石岩面；

将所述流体接杆与隔热油管相连接，接着将连接所述流体接杆的隔热油管下入井筒至所述换热底座的上表面，通过重力下压的方式实现所述卡合件与所述定位槽的密封连接；

从井口的隔热油管和套管的环空处注入流体，注入流体从所述换热底座的流体注入环台流入，经过设置于所述换热底座内部的螺旋环管流道，使流体与岩体进行充分的热交换，接着从所述换热底座的流体采出台流入所述流体接杆的内腔，最后从井口的隔热油管中采出热水。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

公布了一种单井下的干热岩注入流体换热增强装置，其在能实现基本的采热功能的同时，兼顾了如何提升装置的热交换效率。

管体增强热交换效率明显，本发明通过增加注采循环流体在井底高热岩体的流经路线，增大了流体与岩体的接触面积，相比现有的注水措施采热可提高热交换效率11.3532％。

所需金属材料对强度要求不高，不需要改变已有的井身结构，也不需要额外引入其他工作液，制造成本及安装工成本低，作为一种“无泵驱”的高效单井地热开采技术，其也能够在地热水开采受限的区域开采水热型地热资源，其应用范围宽广，并有形成标准化产品的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明单井干热岩注入流体换热增强装置的换热底座结构示意图。

图2为本发明单井干热岩注入流体换热增强装置的流体接杆结构示意图。

图3为本发明单井干热岩注入流体换热增强装置的螺旋环管结构示意图。

图4为本发明螺旋环管的单螺旋管体结构示意图。

图5为本发明单井干热岩注入流体换热增强装置的螺旋环管俯视示意图。

图6为本发明换热底座的位置关系示意图。

图7为本发明单井干热岩注入流体换热增强装置的规则井网开发示意图。

图8为本发明单井干热岩注入流体换热增强装置的整体结构示意图。

图9为本发明单井干热岩注入流体换热增强装置的换热底座透视示意图。

图10为本发明单井干热岩注入流体换热增强装置软件模拟下的有限元增幅示意图。

图11为本发明单井干热岩注入流体换热增强装置基于井距为530m时不同孔距的换热效率增幅。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

参照图1～3、7，为本发明第一个实施例，提供了一种单井干热岩注入流体换热增强装置，此装置包括换热底座100，流体接杆200，螺旋环管300。其中，换热底座100，设置于干热岩换热井A内，包括流体注入环台101，设置于流体注入环台101内侧的流体采出台102，流体注入环台101与流体采出台102之间相间隔，并形成接杆安装槽103。

本实施例中，流体接杆200，配合设置于接杆安装槽103内，其区分为与接杆安装槽103相连接的流体引导端201，延伸至换热底座100外侧的隔热管道连接端202；以及，螺旋环管300，设置于换热底座100内部，包括与流体注入环台101相连接的流体注入口301，与流体采出台102相连接的流体采出口302，连接流体注入口301与流体采出口302的换热管体303。

使用过程中，本发明的换热底座100重量比较大，如果将已经装配好的换热底座100及流体接杆200，与油管连接好后直接下入井底岩面，在下入过程中会存在油管破损的可能性，所以当干热岩套管完井后，首先需要使用钢丝将换热底座100下入至井底岩石岩面。

其中，换热底座100内采用多组复杂的螺旋线通道结构，在增加流体接触面积的同时，降低了底座装置的重量，这对于装置底座的打捞以及取出具有较好优势，利于装置的回收和重复使用。

实施例2

参照图1～9，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是：流体注入环台101开设有与流体注入口301相配合的注液口101a，流体采出台102贯穿开设有与流体采出口302相配合的采液口102a。接杆安装槽103设置有定位槽103a，流体引导端201远离隔热管道连接端202设置有与定位槽103a相配合的卡合件201a。

其中，本装置采用可拆卸型卡扣原理进行隔热油管和装置底座的连接，通过管柱在重力下压即可实现在井底密封效果，避免了使用螺纹接口密封。对于长达几千米的金属管柱，节省了井口旋转作业实现螺纹密封的操作成本，具有确保管柱作业安全环境的作用。

本实施例中，流体采出台102几何中心位置指向流体注入环台101外侧边缘的直线距离为底座外径A1，注液口101a指向采液口102a的距离为底座孔径A2，相邻干热岩换热井A之间形成井距A3。

本实施例中，换热管体303包括多段结构相同的单螺旋管体303a，单螺旋管体303a具有相互连通的第一管口303a-1和第二管口303a-2。第一管口303a-1的径向管径为管体口径C1，所述单螺旋管体303a的螺旋内径为螺径C2，所述第一管口303a-1和第二管口303a-2之间的直线距离为螺距C3。

其余结构与实施例1的结构相同。

实施例3

参照图1～9，为本发明的第三个实施例，该实施例基于如上所述的单井干热岩注入流体换热增强装置，提出一种单井干热岩注入流体换热增强装置操作方法，包括如下操作步骤：

当干热岩套管完井后，使用钢丝将换热底座100下入至干热岩换热井A井底岩石岩面；

将流体接杆200与隔热油管相连接，接着将连接流体接杆200的隔热油管下入井筒至换热底座100的上表面，通过重力下压的方式实现卡合件201a与定位槽103a的密封连接；

从井口的隔热油管和套管的环空处注入流体，注入流体从换热底座100的流体注入环台101流入，经过设置于换热底座100内部的螺旋环管300流道，使流体与岩体进行充分的热交换，接着从换热底座100的流体采出台102流入流体接杆200的内腔，最后从井口的隔热油管中采出热水。

具体的，将流体接杆200通过接杆上的连接端202连接在隔热油管底部，接着将连接流体接杆200的隔热油管下入井筒至换热底座100的上表面，调整流体接杆200底部卡合件201a的位置，使之与换热底座100内的定位槽103a相对应，最后通过重力下压的方式实现换热底座100与定位槽103a的密封连接。

从井口的油管和套管的环空处注入流体，考虑到工程实际，在非金属液体中水的导热系数最大，所以本发明中的流体采用冷水，注入水体从换热底座100的注液口101a流入，经过换热底座100内部的螺旋环管300，使流体与岩体进行充分的热交换，接着从流体采出台102的采液口102a流入流体接杆200的内腔，最后从井口的隔热油管中采出热水。

其余结构与实施例2的结构相同。

实施例4

参照图1，为本发明的第四个实施例，该实施例不同于第三个实施例的是：

在进行单井热量采集工程时，取干热岩温度为200℃，分析不同材料在200℃时的导热系数、抗拉强度、屈服强度、硬度以及材料的价格这几个方面综合考虑，铜的性价比最高，所以本装置使用铜作为材料。

表1材料性能

其余结构与实施例3的结构相同。

实施例5

参照图3～5，为本发明的第五个实施例，该实施例不同于第四个实施例的是：为确定螺旋管的最优尺寸，采用正交试验法以螺旋管外径C1、管径C2、螺距C3为影响因素，分别定义为A、B、C，每个因素使用三个水平。

表2因素水平表

使用ADINA软件进行模拟得到三因素三水平下的换热增幅效率(η)如下表所示：

表3三因素三水平正交分析表

从表3可以直观看出当外径C1为2.5cm，管径C2为1.0cm，螺距C3为4cm时是最优组合，此时的换热增幅效率的模拟值为4.4％。

其余结构与实施例4的结构相同。

实施例6

参照图6～7，为本发明的第六个实施例，该实施例不同于第五个实施例的是：干热岩岩石有效厚度h为40m，干热岩中部温度Td为230℃。采用规则井网开发，井底温度为100℃，底座外径A1为20cm。干热岩的导热系数kr为0.8w/(m·℃)，水的导热系数kw为0.59w/(m·℃)，本发明装置金属导热系数km为372w/(m·℃)。将孔距A2分别设计为4～8cm、8～13cm、13～17cm、17～20cm、为区间，井距A3以100～300m、300～500m、500～700m、700～900m、900～1100m为区间，结合以上参数使用ADINA软件进行模拟，模拟得到换热增幅结果如表4所示，具体孔距和井距对本发明装置的换热效率增幅的影响规律，如图10所示。

表4几种典型参数方案下的换热效率增幅

确定换热增幅效率最高值为底座外径A1为20cm，底座孔径A2为17cm，井距A3为530m时取得最好增幅，此时换热增幅效率为11.3532％，本实施例中，在井距A3为530m的情况时，当底座孔径A2超过17.2cm，换热增幅效率出现了迅速下降的现象。如图11所示。其余结构与实施例5的结构相同。

其余结构与实施例5的结构相同。

实施例7

结合附图1～11所示，本发明的换热底座100重量比较大，如果将已经装配好的换热底座100及流体接杆200，与油管连接好后直接下入井底岩面，在下入过程中会存在油管破损的可能性，所以当干热岩套管完井后，首先需要使用钢丝将换热底座100下入至井底岩石岩面。

换热底座100内采用多组复杂的螺旋线通道结构，在增加流体接触面积的同时，降低了底座装置的重量，这对于装置底座的打捞以及取出具有较好优势，利于装置的回收和重复使用。

本装置采用可拆卸型卡扣原理进行隔热油管和装置底座的连接，通过管柱在重力下压即可实现在井底密封效果，避免了使用螺纹接口密封。对于长达几千米的金属管柱，节省了井口旋转作业实现螺纹密封的操作成本，具有确保管柱作业安全环境的作用。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种单井干热岩注入流体换热增强装置，其特征在于：包括，

换热底座（100），设置于干热岩换热井（A）内，包括流体注入环台（101），设置于所述流体注入环台（101）内侧的流体采出台（102），所述流体注入环台（101）与所述流体采出台（102）之间相间隔，并形成接杆安装槽（103）；

流体接杆（200），配合设置于所述接杆安装槽（103）内，其区分为与所述接杆安装槽（103）相连接的流体引导端（201），延伸至所述换热底座（100）外侧的隔热管道连接端（202）；以及，

螺旋环管（300），设置于换热底座（100）内部，包括与所述流体注入环台（101）相连接的流体注入口（301），与所述流体采出台（102）相连接的流体采出口（302），连接所述流体注入口（301）与所述流体采出口（302）的换热管体（303）。

2.根据权利要求1所述的单井干热岩注入流体换热增强装置，其特征在于：所述流体注入环台（101）开设有与所述流体注入口（301）相配合的注液口（101a），所述流体采出台（102）贯穿开设有与所述流体采出口（302）相配合的采液口（102a）。

3.根据权利要求2所述的单井干热岩注入流体换热增强装置，其特征在于：所述接杆安装槽（103）远离所述采液口（102a）一端设置有定位槽（103a），所述流体引导端（201）远离所述隔热管道连接端（202）设置有与所述定位槽（103a）相配合的卡合件（201a）。

4.根据权利要求3所述的单井干热岩注入流体换热增强装置，其特征在于：所述流体采出台（102）几何中心位置指向所述流体注入环台（101）外侧边缘的直线距离为底座外径（A1），所述注液口（101a）指向所述采液口（102a）的距离为底座孔径（A2），相邻干热岩换热井（A）之间形成井距（A3）。

5.根据权利要求4所述的单井干热岩注入流体换热增强装置，其特征在于：所述底座外径（A1）为20cm，所述底座孔径（A2）为17cm，所述井距（A3）为530m。

6.根据权利要求5所述的单井干热岩注入流体换热增强装置，其特征在于：所述换热管体（303）包括多段结构相同的单螺旋管体（303a），所述单螺旋管体（303a）具有相互连通的第一管口（303a-1）和第二管口（303a-2）。

7.根据权利要求6所述的单井干热岩注入流体换热增强装置，其特征在于：所述第一管口（303a-1）的径向管径为管体口径（C1），所述单螺旋管体（303a）的螺旋内径为螺径（C2），所述第一管口（303a-1）和第二管口（303a-2）平行于所述单螺旋管体（303a）轴线方向上的直线距离为螺距（C3）。

8.根据权利要求7所述的单井干热岩注入流体换热增强装置，其特征在于：所述管体口径（C1）为2.5cm，所述螺径（C2）为1.0cm，所述螺距（C3）为4cm。

9.一种单井干热岩注入流体换热增强装置操作方法，其特征在于：采用如权利要求3~8中任一项所述的单井干热岩注入流体换热增强装置。

10.根据权利要求9所述的单井干热岩注入流体换热增强装置操作方法，其特征在于：具有如下操作步骤：

当干热岩套管完井后，使用钢丝将所述换热底座（100）下入至所述干热岩换热井（A）井底岩石岩面；

将所述流体接杆（200）与隔热油管相连接，接着将连接所述流体接杆（200）的隔热油管下入井筒至所述换热底座（100）的上表面，通过重力下压的方式实现所述卡合件（201a）与所述定位槽（103a）的密封连接；

从井口的隔热油管和套管的环空处注入流体，注入流体从所述换热底座（100）的流体注入环台（101）流入，经过设置于所述换热底座（100）内部的螺旋环管（300）流道，使流体与岩体进行充分的热交换，接着从所述换热底座（100）的流体采出台（102）流入所述流体接杆（200）的内腔，最后从井口的隔热油管中采出热水。